水下自重构机器人Kane动力学建模方法

摘要/Abstract

摘要：

针对水下自重构机器人构形多变且外部环境复杂等特点，提出了一种通用的、基于构形描述及Kane动力学的建模方法.利用图论中关于拓扑结构的描述方法，建立水下自重构机器人多种拓扑构形的统一数学表达，再结合Kane方法，在模型中加入水下各种外部环境作用力，最终建立封闭的水下自重构机器人运动方程.通过典型构形的建模实例，证明了该方法的可应用性和有效性.

关键词: 水下自重构机器人, 动力学建模, 拓扑构形描述, Kane方法

Abstract:

The variation of configuration and complexity of external environment pose a great challenge to the dynamic modeling for underwater selfreconfiguration robot. In this paper, a general dynamic modeling method was proposed for underwater self-reconfigurable robot based on configuration expression and Kane’s method. The method analysing topological structure in graph theory was introduced to acquire a uniform mathematic expression for the multiform configurations present in underwater self-reconfigurable robot. Utilizing Kane’s method, a final closed-form motion equation for underwater selfreconfiguration robot was developed incorporating external environment actions into the model. Modeling example for a classic configuration verifies the applicability and effectiveness of the proposed method.

Key words: underwater self-reconfigurable robot, dynamic modeling, topological configuration expression, Kane’s method

中图分类号:

TP 242

王旭阳，葛彤，杨柯，吴超. 水下自重构机器人Kane动力学建模方法[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2013, 47(12): 1874-1880.

WANG Xuyang,GE Tong,YANG Ke,WU Chao. Dynamic Modeling of Underwater Self-Reconfigurable Robot with Kane’s Method[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2013, 47(12): 1874-1880.

参考文献

［1］高仁云，吴超，葛彤. 水下分散自重构机器人硬件设计［J］. 机器人, 2007, 29(3): 239243.

GAO Ren yun, WU Chao, GE Tong. Hardware design of an underwater selfreconfigurable robot［J］. Robot, 2007, 29(3): 239 243.

［2］XU Xuesong, GE Tong ，ZHU Jimao. Optimal topological transformation of underwater modular selfreconfigurable robots［J］. Robotica, 2005, 23: 581594.

［3］李家旺，葛彤，吴超，等. 水下自重构机器人的自动对接控制［J］. 上海交通大学学报，2012, 46(2): 190194.

LI Jiawang, GE Tong, WU Chao, et al. Docking control of underwater selfreconfigurable robots［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2012, 46(2): 190194.

［4］Kelmar L, Khosla P K. Automatic generation of kinematics for a reconfigurable modular manipulator system［C］// Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. New York: IEEE Press, 1988: 663668.

［5］Benhabib B, Zak G, Lipton M G. A generalized kinematic modeling method for modular robots［J］. Journal of Robotic Systems, 1989, 6(5):545571.

［6］Chen I M, Yang G L, Kang I G. Numerical inverse kinematics for modular reconfigurable robots［J］. Journal of Robotic Systems, 1999, 16(4): 213225.

［7］费燕琼，冯光涛，赵锡芳，等. 可重组机器人运动学正逆解的自动生成［J］. 上海交通大学学报, 2000, 34(10):14321433.

FEI Yanqiong, FEN Guangtao, ZHAO Xifang, et al. Automatic generation of the reconfigurable robot forward and inverse kinematics［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2000, 34(10):14321433.

［8］Chen I, Yang G. Automatic generation of dynamics for modular robots with hybrid geometry［C］// Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. New York: IEEE Press, 1997:22882293.

［9］Chen I, Yang G. Automatic model generation for modular reconfigurable robot dynamics［J］. Transactions of the ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 1998, 120: 346352.

［10］费燕琼，况迎辉，赵锡芳，等. 可装配的模块机器人动力学的自动生成［J］. 东南大学学报:自然科学版, 2000, 30(2):15.

FEI Yanqiong, KUANG Yinghui, ZHAO Xifang, et al. Generating the dynamics of assembling modular robot automatically［J］. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2000, 30(2):15.

［11］Fei Y, Zhao Z, Song L. A method for modular robots generating dynamics automatically［J］. Robotica, 2001,19(1):5966.

［12］Kane T R. Dynamics, theory and applications［M］. New York: McGrawHill, 1985.

［13］Tarn T J, Shoults G A, Yang S P. A dynamic model of an underwater vehicle with a robotic manipulator using Kane’s method［J］. Autonomous Robots, 1996, 3: 269283.

［14］Mruthyuojiya T S. Kinematic structure of mechanisms revisited［J］. Mechanism and Machine Theory, 2003, 38:279320.

［15］洪嘉振. 计算多体系统动力学［M］. 北京：高等教育出版社，1999.

［16］Fossen T I. Guidance and control of ocean vehicles ［M］. UK: Wiley, 1994.

[1]	王健磊, 张知朴, 孔晓俊, 张顺家, 龚春林. 偏转弹头导弹关键技术研究综述[J]. 空天防御, 2025, 8(6): 1-15.
[2]	张晓宇, 吕硕, 缑欣怡, 谷晓彤. 高超声速变后掠飞行器多变量预设性能控制[J]. 空天防御, 2023, 6(3): 95-103.
[3]	胡金硕, 黄健哲. 共轴双旋翼动力学建模与验证[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(3): 395-402.
[4]	任园园，李显生，郑雪莲，王杰. 液罐车精确动力学建模及其侧倾稳定性[J]. 上海交通大学学报, 2020, 54(3): 312-321.
[5]	万航, 徐胜利, 张庆振, 张迪. 基于动态逆的空天变体飞行器姿态控制[J]. 空天防御, 2019, 2(4): 25-31.
[6]	亢有为, 王枫, 陈东方, 沈莉. 动力陀螺式导引头动力学建模与分析[J]. 空天防御, 2019, 2(3): 59-65.
[7]	黄海, 张国成, 杨溢. 水下无人航行器机械手系统动力学建模与协调运动轨迹优化[J]. 上海交通大学学报, 2016, 50(9): 1437-1443.
[8]	杨柯, 葛彤, 王旭阳. 基于CPG的水下自重构机器人控制网络演化方法[J]. 上海交通大学学报, 2016, 50(6): 854-860.
[9]	吴超,庄广胶,刘建民,葛彤,吴小辉. 新型水下自重构机器人水下机电对接技术[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2013, 47(10): 1621-1625.
[10]	王少波, 孟成, 苏明. 燃气轮机拉杆转子动力学建模及临界转速计算 [J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2013, 47(03): 381-384.
[11]	李劲松a, 宋立博a, 颜国正b. 基于自适应逆控制方法的小型四旋翼无人直升机姿态控制 [J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2012, 46(06): 956-961.
[12]	许文秉, 杨斌堂, 孟光, 吕扬名. 大负载精密驱动超磁致伸缩直线电机动力学建模与仿真[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2012, 46(03): 480-486.
[13]	李家旺, 葛彤, 吴超, 王旭阳. 水下自重构机器人的自动对接控制 [J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2012, 46(02): 190-194.
[14]	杜建福，吕恬生，KonstntinKondk，张亚欧. 小型无人直升机建模与分析[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2008, 42(10): 1726-1730.